УДК 521.172:524.834:523.9-332
ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЙ МАССЫ СОЛНЦА И ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ ПО СОВРЕМЕННЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ ПЛАНЕТ
И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ © 2012 г. Е. В. Питьева1, Н. П. Питьев2
1 Институт прикладной астрономии РАН, Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский государственный университет Поступила в редакцию 24.01.2011 г.
Более 635 тысяч позиционных наблюдений планет и КА разных типов, в основном радиотехнических (1961—2010 гг.), были использованы для оценок возможных изменений гравитационной постоянной, массы Солнца и полуосей орбит планет, а также связанного с ними значения астрономической единицы. Анализ наблюдений проводился на основе эфемерид ЕРМ2010 ИПА РАН в постньютоновском приближении, построенных совместным численным интегрированием уравнений движения девяти больших планет, Солнца, Луны, астероидов и транснептуновых объектов.
Для изменения гелиоцентрической гравитационной постоянной ОМ0 было получено: (ОМе)/ОМСд =
= (-5.0 ± 4.1) х 10 14 в год (3а). Найденные положительные вековые изменения больших полуосей для орбит планет Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, обеспеченных высокоточными рядами наблюдений, также соответствуют уменьшению гелиоцентрической гравитационной постоянной. Само изменение ОМ0, вероятно, вызвано потерей массы Солнца М0 из-за излучения и солнечного ветра, которое частично компенсируется падающим на Солнце материалом. Из полученного изменения ОМе и с учетом максимальных пределов возможного изменения массы Солнца М0 найдено, что для гравитационной постоянной О с вероятностью 95% годовое значение
О/О попадает в интервал -4.2 х 10 14 < (О/О < + 7.5 х 10 14. Астрономическая единица (АЕ) по своему определению связана только с гелиоцентрической гравитационной постоянной. Найденное в данной работе уменьшение ОМ0 должно соответствовать вековому уменьшению АЕ. Однако показано, что современный уровень точности не позволяет определить изменение АЕ. Достигнутая возможность нахождения по высокоточным наблюдениям изменения ОМ0 указывает на желательность зафиксировать соотношение между ОМ0 и АЕ на определенный момент времени, поскольку неудобно иметь изменяющуюся во времени длину астрономической единицы.
ВВЕДЕНИЕ
Накопление данных высокоточных наблюдений планет и развитие современных теорий планетных эфемерид создают предпосылки для исследования очень тонких эффектов и, в частности, изменения во времени гелиоцентрической гравитационной постоянной ОМ0. Вопрос о переменности и возможном темпе изменения гравитационной постоянной О регулярно поднимается и рассматривается в некоторых космологических теориях (^ап, 2003; 2009). Масса Солнца М0 тоже не может считаться абсолютно постоянной. С одной стороны, она убывает вследствие непрерывно идущих термоядерных реакций и выработки лучистой энергии с дополнительным уходом вещества в солнечном ветре. С другой стороны, происходит регулярное падение на Солнце межпланетного вещества, включающего пыль, метеороиды, астероиды и кометы.
В истории Солнца, вероятно, были периоды положительного и отрицательного изменения массы. В начальный период, вскоре после формирования протосолнца и начала в нем ядерных реакций, масса центрального тела, вероятно, увеличивалась вследствие продолжающегося сжатия первоначального облака к центру. На протяжении некоторого времени формирования планетной системы, пока межпланетное пространство не расчистилось, доля падающего на Солнце вещества превышала долю уменьшения массы Солнца за счет светового и корпускулярного излучения. В настоящее время, когда следы первоначального, прото-солнечного облака, возможно, сохранились только на периферии Солнечной системы за орбитой Нептуна, вопрос о количественной оценке изменения массы Солнца остается открытым из-за неопределенности общего баланса, куда входят потери массы за счет излучения, убыль массы за счет материи, уносимой солнечным ветром, и рост мас-
сы за счет падающего на Солнце вещества, в частности, комет, столкновение которых с фотосферой Солнца неоднократно фиксировала космическая обсерватория SOHO (Solar and Heliospheric Observatory): http://ares.nrl.navy.mil/sungrazer/. Оценка затруднительна, в первую очередь, из-за сложности достоверной оценки массы падающего материала, а также переменных во времени интенсивности и углового распределения в пространстве потока солнечного ветра. В данной работе сделана попытка получения экспериментальных оценок изменения солнечной массы, точнее гелиоцентрической гравитационной постоянной GMQ, из анализа наблюдательных данных движения планет и космических аппаратов (КА).
С изменением гелиоцентрической гравитационной постоянной связано и изменение значения астрономической единицы (АЕ). Астрономическая единица близка по величине к среднему расстоянию Земли от Солнца, но по своему определению связана только с гелиоцентрической гравитационной постоянной GMq. Из полученной оценки GMq можно оценить возможное изменение значения АЕ во времени. Эта оценка может быть сопоставлена с прямой оценкой изменения АЕ, полученной по наблюдениям.
ОЖИДАЕМЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИЗМЕНЕНИИ МАССЫ СОЛНЦА
Оценки изменения массы Солнца и его темпа неоднократно приводились в работах, касающихся исследования физики Солнца, солнечного ветра и излучения (см., например, Сюняев, 1986; Livingston, 2000). Светимость Солнца L0 несколько меняется в течение 11-летнего цикла и ~27-днев-ного оборота вокруг своей оси, но колебания L0 не превышают 0.1—0.2% (Frohlich, Lean, 1998; 2004). Если принять среднюю полную светимость
Солнца Lq = 3.846 х 1033 эрг/с и массу Солнца
MQ = 1.9891 х 1033 г (Bran и др., 1998), то убыль массы Солнца вследствие излучения в долях солнечной массы равна Mo = -6.789 х 10-14Mo в год.
Масса, уносимая с солнечным ветром, также неоднократно оценивалась. Основной состав солнечного ветра: примерно 95% — протоны, 4% — ядра атомов гелия, и меньше 1% — ядра атомов других элементов (C, N, O, Ne, Mg, Ca, Si, Fe) (Брандт, 1973; Хундхаузен, 1976). Общее число частиц, улетающих ежесекундно, оценивается приблизительно в 1.3 х 1 036 (Kallenrode, 2004). На поток солнечного ветра влияют активность Солнца, корональные выбросы. Обычно средние потери в год через солнечный ветер оцениваются величиной 2 х 10-14MQ (Хундхаузен, 1976; Hundhausen, 1997; Meyer-Vernet, 2007), то есть менее трети убы-
ли массы за счет излучения. Имеются оценки в
(2-3) х 10-14MQ в год (Сюняев, 1986; Carroll, Ostlie,
1996; Livingston, 2000), где значение 3 х 10-14MQ можно считать верхней границей уносимой с солнечным ветром массы. Совместный эффект относительной убыли в год массы Солнца за счет излучения и солнечного ветра можно ограничить неравенством
-9.8 х 10-14 < MQ/MQ <-8.8 х 10~14. (1)
Обратный процесс происходит за счет падения метеорного и астероидного вещества на Солнце. Пылевая среда не может дать существенный вклад в массу падающего материала. По современным данным плотность межпланетной пыли падает с удалением от Солнца, а на расстоянии больше 3 АЕ пыли почти нет, при этом 2/3 межпланетной пыли сосредоточено в частицах массой 10-5-10-3 г, размеры пылинок в основном 1-10 мкм (Mann и др., 2010). Общая масса пылевого вещества оценивается примерно в 10 -10 г (Сюняев, 1986). Даже в предположении, что вся эта масса за несколько тысяч лет достигает Солнца, темп выпадения пылевых частиц составит
меньше 10-16 MQ в год. Но пылинки меньше 2 мкм выметаются солнечным давлением, и лишь пылинки-частицы больше 2 мкм движутся к Солнцу. Большая часть приближающейся пыли возгоняется внутри 0.1 АЕ (~ 20^0) и достигнуть поверхности Солнца не может. Также следует учитывать, что солнечный ветер существенную часть пыли увлекает за собой и выносит к периферии Солнечной системы (Mann и др., 2010). Поэтому возможный темп выпадения на Солнце пылевой составляющей в год много меньше, чем
(10-17-10-16) M0.
Более крупные частицы, метеороиды и астероиды могут падать на Солнце. Исследования показывают, что происходит постоянная миграция астероидов с возможностью завершения эволюции орбиты столкновением с Солнцем (Farinella и др., 1994; Gladman и др., 1997). Общее число малых тел очень велико, количество тел, размеры которых превышают 1 км, порядка 1 млн. Значительная часть астероидов движется в области, близкой к плоскости орбит больших планет Солнечной системы, в основном, располагаясь в поясе (тороидальном кольце) между орбитами Марса и Юпитера. Современные оценки полной массы
астероидного кольца дают (13 ± 2) х 10-10 MQ
(Pitjeva, 2010b), то есть меньше 10 -3 массы Земли. Для существования кольца в течение десятков и сотен миллионов лет доля уходящего в год материала должна составлять от полной массы пояса астероидов существенно меньшую часть, чем
10-8 —10-7, если главный пояс астероидов не пополняется извне. Учитывая, что уходящий материал не обязательно должен падать на Солнце, находим, что оценка сверху возможной массы выпадающего на Солнце материала из главного
кольца меньше (10- -10-16)M0 в год. Получается существенно меньшая величина (на два-три порядка), чем убыль массы Солнца через излучение и солнечный ветер, то есть в ближней зоне и в области главного пояса астероидов нет достаточного, мигрирующего к Солнцу межпланетного вещества, чтобы быть сравнимым с уменьшением массы Солнца вследствие излучения.
Более неопределенна масса вещества, которая может приходить из дальних областей Солнечной системы, главным образом, в форме комет (Bailey и др., 1992). Это занептуновые области — пояс Койпера, облако Хиллса, облако Оорта. В настоящее время большое число комет регистрируется в непосредственной близости от Солнца (sungrazing comet) с помощью коронографа LASCO (http:// lasco-www.nrl.navy.mil/), установленного на солнечной космической обсерватории SOHO (Mars-den, 1989; 2005). Кометы, близко и часто проходящие вблизи Солнца, существуют недолго. Они могут распадаться на фрагменты или полностью "рассыпаться". Примером является многочисленное семейство комет Крейца (Sekanina, Cho-das, 2007). Часть из них непосредственно влетает в плотные слои Солнца. На снимках обсерватории SOHO (http://sungrazer.nrl.navy.mil/ind
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.